雪岭云杉树轮宽度对气候变化的响应

雪岭云杉树轮宽度对气候变化的响应 12,32,31,2朱海 ,峰 王丽 丽, 邵雪 梅, 方修 琦 北京师范大学地理科学与遥感学院北京 中国科学院地理科学与资源研究所北京 (1. " 100875# 2. " 100101; 3. 中国科学院青藏高原研究所100085)北京 " 分析不同地利用新疆伊犁地区雪岭云杉的 个树轮宽度年 通过相关分析的方法 摘要:6 " " 雪岭云杉对气候 变 化 比 较形条件下雪岭云杉树轮宽度对于气候要素的响应 统计分析表明! " 敏感7~8 月降水关系显著 在 南 天 山 北在北天山南坡的森林下限雪岭云杉生长与生长季 #"" 坡的森林下限111 月最低温度存在显著正相关雪岭云杉生长对生长季前 次年 地形对雪 " $ % 岭云杉与气候要素之间的关系影响较大在南天山北坡由于森林上下限树木抗寒性的差异 """ 使 得 天 山森林下限树木生长对温度的响应强于上限树木南北坡引起的降水量水平的差异 # " 不同坡向的树木生长响应不同的气候要素! 伊犁树木年轮气候变化雪岭云杉 关键词:# # # 1引言 使得全球和区域气温变化在近 1 个世纪以来全球增温对人类活动产生的巨大影响 " 但由于器测气候10 年和 100 年尺度上的规律及机制成为 IG B P-PA G ES 研究的重点之一 "资料的不足和分布不均大大限制了这一研究树木年轮中含有大量过去气候变化的信 " ! [1]息这些信息分辨率高定年准确与气候资料相关性强在一定程度上可以弥补这一 不" & & " 足10 年和 100 年尺度的气候变化研究方面因此在 树木年轮是最重要的手段之 " " " 一1 000 年的气温目前树轮工作者在许多地区利用树木年轮重建了过去几百年甚至上 ! " [2-4][5-10]变化 研究表明 我国西部北部干旱区的某些树种对气候变化有较好的指示作用 & !"!横贯新疆中部的天山是新疆地区一条重要的地理分界线其中山带生长有大量的雪岭 " " [11-15] 云杉揭示了新疆天山中部和西部雪岭云杉树轮宽度与降水量之间的关系袁玉江张 !"[16] 志华利用树轮宽度资料重建了东天山 300 多年来干旱日数的变化 但这些树轮气候学研! 究主要集中在对降水方面的分析对温度变化的研究较少 "! 本研究的目的是利用新疆伊犁地区 6 个树轮宽度年表揭示雪岭云杉生长对当地温 " 本度和降水的响应 并比较不同地形条件下雪岭云杉树轮宽度对气候变化响应的差异" !研究将为该地区过去几百年温度变化的研究提供重要的研究基础 ! 2 资料和方法 研究区概况 !"# oooo研究区伊犁谷地位于 之间 具有三山夹一谷一盆4212'~4448'N " 8010'~8502'E " ’ ( 的独特地形特点 (图 1)地势东高西低谷地北面有高山屏障寒流不易侵入西侧敞% " " " 收稿日期:2004-05-14; 修订日期:2004-09-26 开 暖 湿 气 流 可 长 驱 直! 入 但 由 于 海 拔 较 高 " ! 热 量 条 件 不 够 充 足 全! 年无霜期163~211 天! !采样点坐标 o气象站坐标 期 间 活 动 积 温 在C10 o3 000 C 左右西部昭苏 ! o 县 仅 600 C 该 地 区 年" 降水量 284~468 m m 自! 西 向 东 随 高 程 递 增 ! 春 雨 占 年 降 水 量 38% ! 与 夏 雨 合 占 76% ~82% [17] " 这 里 的 山 地 有 发 达 的 冰 川积雪带山地森林带# ! 前 山 带 具 有 明 显 的 逆 温 [18] 层该 地 区 雪 岭 云 杉 林 图 1 伊犁地区树轮样品采样点分布图主 要 分 布 在 海 拔 1 500~ Fig.1 M eteorological stations and sam pling sites in Y ili V alley of w estern Tianshan 2 800 m 之间 林内坡度"o 比较大28~33之间 土壤为山地灰褐土0.1~0.4 介于 森林上限郁闭度较小一般介于 !""! 之间下限郁闭度较大0.4~0.7 之间 介于 $ ! " 树轮资料" !! 将树轮采样点布置在伊犁谷地不鉴于伊犁地区特殊的地形特征和森林的分布状况! 同地貌位置的 3 个县 (图 11) 谷地西表 即位于谷地东侧南北天山交接地带的新源县# ! ! 侧开口南 天 山 北 坡 的 昭 苏 县 和 北 天 山 南 坡 的 尼 勒 克 县 在 尼 勒 克 和 新 源 N LK 2 # ! " ! ! N LK 1 和 X Y 2X Y 1 分别为上下限年表ZS1 为森林下限ZS2 高于森林下限在昭苏! ! ! ! ! 但 ZS2 郁闭度较小" 详细的采样点状况见表 1" 树轮样品的主要采样形式是利用生长锥采集的样芯N LK 1 为树盘 (距地面 20其中 ! [19] cm ) 然按照实验室处理的基本程序对树轮样品干燥固定磨平打光交叉定年" ! # # # ![20] 后 测 量 树 轮 宽 度 并 利 用 C O FEC H A 程 序 对 交 叉 定 年 和 宽 度 量 测 进 行 了 检 查 "! C O FEC H A 程序的具体步骤为30a 的样条函数滤掉各宽度序列的低频变首先以步长为 % 表 伊犁地区树轮取样地点概况、树轮标准化年表统计特征及共同区间分析结 果# $%&" ’ ()*+ ),-./0%*).,1 2*%,3%/3 45/.,.6.78 2*%*)2*)42 %,3 /+296*2 .- 4.00., ),*+/:%6 %,%682)2 .- */++;/),7 3%*% -/.0 <)6) =%6+68 .- >+2*+/, $)%,25%, NLK1 NLK2 XY1 XY2 ZS1 ZS2 44?05 ’ 44?01’ 43?17 ’ 43?16’ 42?37 ’ 42?36’ 82?17 ’ 82?18’ 84?14 ’ 84?14’ 80?40 ’ 80?35’ /m 2110 2650 1649 2550 2220 2260 0.6 0.2 0.7 0.4 0.7 0.3 / () 16 (16) 23 (42) 21 (42) 25 (47) 18 (38) 11 (22) ) 1761—2000 1674—2001 1725—2001 1834—2001 1605—2001 1735—2001 0.467 0.069 0.000 0.000 0.041 0.047 !" #$%& 0.184 0.111 0.164 0.112 0.127 0.125 ()* ’ 0.535 0.457 0.533 0.509 0.654 0.438 +0$,-./ 123456 12 (12) 22 (41) 20 (38) 21 (33) 18 (32) 10 (18) 0.483 0.324 0.428 0.398 0.324 0.337 40$ ./ 91.80% 91.30% 93.70% 93.30% 89.60% 83.50% 78 9 : +<5=>?@ 54.61% 36.86% 45.77% 42.96% 36.52% 40.22% ; 化50a 为基本时段25 年为滑动间距 然后以每 计算所有样本与主序列间的相关系数" " " # 根据 C O FEC H A 结果剔除了与主序列相关较差的样芯或时段" #[21] 年步长的样条函数拟合了树轮利用 年表的建立通过 A R STA N 程序完成首先 60 # " 得到了树轮宽度的标准化指宽度序列的生长趋势 然后利用宽度的实测值除以拟和值" " 对序列进行了数序列 将所得指数序列以双权重平均法合成了标准化指数年表同时" # " 共同区间分析" 分析时段为 1900~2000 年" 分析结果见表 1 下半部# 气候资料!"# oo 气 候 资 料 来 自 于 各 采 样 点 临 近 的 新 源(8318'E 4327'N 929.2 m ) 尼 勒 克" " $oooo(8234'E 4348'N 1106.1 m ) 和昭苏县 (8108'E 4309'N 1854.6 m ) 气象站 (图 1)所 # " " " " 用气候要素为月平均气温月平均最高气温月平均最低气温和月降水量图 2 展示了 $ $ # 三个气象站点 1959~2000 年 1~12 月月平均温度和月降水量可以看出新源昭苏和尼# " $ 勒克高温期为 月份月份为最高月份月份为最多 以 新源降水集中于 以 7~8 " 7 % 4~6 " 5 " 昭苏和尼勒克降水均集中于 5~7 月份7 月份为最多其中以 " # 相关分析 "$ ! 相关分析的目本文利用相关函数计算了树轮宽度指数与气候要素之间的相关系数 # 的在于揭示树木生长与气候要素之间的关系 以寻找与树木生长关系密切的气候因子" " 进行气候重建树轮年表选取的时段为 1960~2000 年10 月到当年 9 气候资料选取上年 # " 考月9 月以后树木的径向生长已基本停止9 月以后的气象资料 因为 所以没有选用 " " # 虑到气象要素之间存在相关关系 本研究还利用响应函数分析了树轮宽度年表与气候要" 素之间的关系 所得结果与相关" 分析基本相似所以在下面的结" (a) 果中不再单独说明 # 3 结果及讨论 树轮年表的基本统计特征#"% 表 1 展示了 6 个年表的平均 第 一敏 感 度 树 间 相 关 系 数 $ $ 主 分 量 解 释 方 差 量 一 阶 自 相 $ 关 系 数 和 样 本 量 总 体 代 表 性 " 等描述统计量# (b)B J j 下 限 年 表 比 上 限 年 表 具 有 较 高 的 平 均 敏 感 度 一 阶 自 相" 关 系 数 树 间 相 关 系 数 和 第 一" 主 分 量 解 释 方 差 量 这 些 指 标# 可 以 反 映 树 轮 年 表 所 含 不 同 频 率信息量的多少 例如 N LK 1"" 的平均敏感度为 0.184 明显大" 于 的0.111 表 明 下 限N LK 2 " 中所含的高频变化信息多N LK 1 下限年表比相应的上限年表包含有更多的低频变化信息 树间相关系数反映了树木之间! 在全频信息的相关程度 也显示了相同的特征所有这些结果表明该地森林下限树木 # "" 生长对气候变化的响应要强于森林上限# 从伊犁地区 个树轮宽度年表在 年间的逐年变化和低频变化 年滑动6 1900~2000 (10 且极窄轮发生时间也平均) 可以看出 (图 3)6 个年表在高频变化上具有较高的一致性 " " 多数相同X Y 1X Y 2ZS1 和 ZS2 高值期和低值期发 但在低频变化上南天山北坡的 " $ $ ! 生时间比较一致N LK 1 和 N LK 2 则呈现出另一种高值期和低值期的变化北天山南坡的 " # 这表明北天山南坡的树木生长所受的限制因子可能不同于南天山北坡# 树轮年表中的气候信息 !"# 从相关系数图 图 可看出月至当年 在南天山北坡雪岭云杉的生长与上年 (4) " " 11 3 月温度呈正相关X Y 1 与上年 11 月和当年 1 月平均最低温度ZS1 与上其中两下限年表 " " 年 11~12 月平均最低温度的相关达到了 p<0.05 的显著性水平从植物生理学上讲 # "上年11 月至当年 1 月温度过低会冻伤树木的根叶等器官并破坏叶绿素的活性最终影响 " " " [22,23][11-15] 到树木下年的生长这在以前的天山西部云杉年轮对气候的响应分析中尚未发现# # 在北天山南坡的森林下限 树木生长与上年 10 月至当年 8 月降水呈正相关 其中以"" 1.8 1.8 1.6 1.61.4 1.4 1.2 1.2 1 21 1K K L L0.8 N 0.8N 0.6 0.6 0.4 0.40.2 0.20 01900 1920 1940 1960 1980 2000 1900 1920 1940 1960 1980 2000 1.8 1.8 1.6 1.6 1.41.4 1.2 1.2 2 1 11 Y YX 0.8X 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 1900 1920 1940 1960 1980 2000 1900 1920 1940 1960 1980 2000 图 3 伊犁地区 6 个树轮宽度标准化年表图 (1900-2000 年)(ab)(cd) 和 分别为尼勒克 新源 # $ $ " 昭苏 实线年滑动平均 虚线 (e$ f) ()" 10 ()# Fig.3 Standard ring-w idth index series from Y ili V alley of w estern Tianshan (1900-2000) 图 4 尼勒克 (ab)(cd) 和昭苏 (ef) 树轮宽度年表与气候资料的相关系数图新源 包括的月 ’ $ ’ ’ " 份为上年 月到当年 月相关时段为 年轴平行的两条虚 与 (year (t-1)) 10 (year (t)) 9 $ 1960~2000 " x 线表示相关系数超过 置信区间95% Fig.4 C orrelations of six tree-ring w idth chronologies and m onthly m ean,m inim um ,m axim um tem perature,and m onthly precipitation 与当年 2 月和 7~8 月份降水量的相关最为显著 (p<0.05) 该地以前的研究和我国其他半干" [11,13,9,10] 旱地区的研究中也显示了类似的相关关系 生长季前秋冬季降水可能通过以下两" 方面促进树木生长 一方面上年秋季树木各组织器官的生长基本停止但仍能进行一! # $ 定的光合作用此时湿润的条件有利于积累更多的光合产物 为下年春季形成层活动提$ $[22] 供较多的养分 另一方面秋冬季降水可以提高土壤含水量为树木下年的生长提供必% $ $[9][22] 要的水分 同期的高温当年生长季降水则主要通过影响净光合产量而影响树木生长& $ 则会加剧水分对树木生长的限制作用 与该地区处于同一纬度带的半干旱区的研究中发&[6,9]现当年生长季初期 5 月份的降水对树木生长作用最为显著7 该研究则显示生长季 $ $ ’ 8 月份降水与树木生长的显著相关56这可能是由于降水的季节分配不同所致该地 " $ ’ 地形条件对树木生长与气候之间关系的影响 !"! 地形可以通过对水热资源的再分配! 影响不同地形位置的小气候特征!从而影响树 木生长对气候变化的响应" 在南天山北坡 这与通下限树木生长与上年秋冬季气温的相关系数大于上限年表 !"[24,22] 常所认为的这可能是海拔越高 的结论相矛盾 树木生长受温度的限制作用越大#! $%由于森林上下限树木抗寒性的差异所引起的 在秋冬季节由于森林下限郁闭度较大" !![25]空气流通慢土壤含水量高尤其是在冬季该地降水量随海拔升高而降低此时下限 " !!! [26]降水多于上限因而下限树木抗寒性低于森林上限 !" 在北天山南坡与生长季降水的相关系数大于上限年表 下限年表 一般 ! N LK 1 N LK 2" [22,25]说来该在夏季森林上限降水多于下限且在降水的季节分配上也落后于森林下限! ! ! " [11,13]地树木生长旺盛的 78 月正是森林上限最大降水带来临的季节另而下限降水较少& " ! 外这也可能是由于森林上限降水多于下限而下限降水与气象站记录比较接近所致! ! " [22][24]和 在其他研究中也得到了类似的结果FrittsLaM arche" 由 3 个下限年表与气候要素的相关系数图表可以看出在天山的不同坡向与树木 !! 生长关系显著的气候要素不同 在山体北在山体南坡降水对树木生长限制作用显著" ! ! 坡 这可能是由于坡向造成的南北坡降水量水上年秋冬季较高的温度有利于树木生长! " 平的差异所致1959~2000 年间的年降水资 将与树轮采样点距离较近的三个气象站点在 " [27] 料进行均值的配对 t检验3 个站点年降水量的变化是同步的 (p<0.001) 而结果表明 !!! 显著少于在年均降水总量上(与 N LK 1 同位于北天山南坡) 降水量 370 m m 尼勒克县 ! ! 新源县的 和昭苏县的 同在南天山北坡新源县和昭苏县 (p<0.001) 491 m m 498.5 m m()! 无显著差异 树木而且北天山南坡日照时间长蒸发量大加剧了水分的不足因而" !!!! 生长对水分的敏感度较强 降水更是成为限制树木生长的主要气候因尤其是在生长季! ! 树木的子 而位于南天山北坡的新源昭苏两地降水相对较多秋冬季土壤含水量高" & ! ![26] 抗寒性则相对较弱 易受冻害损伤所以对秋冬季温度响应敏感这表明坡向的差异可 "!! 能会导致树木生长受不同的气候因子限制" 结论4 次年 月月平均最低温雪岭云杉下限的树木生长与生长季前 (1) 在南天山北坡 11~ 1 ! 度呈显著正相关" (2) 在北天山南坡78 月 降水是限制森林下限树木生长的气候因子其中生长季 ! ! ! 份降水的影响尤为显著" (3) 地形条件对该地区树木生长与气候之间关系的影响较大1) 在不同坡向限制树 ’ ! 木生长的气候因子不同2) 森林下限雪岭云杉树木生长对气候要素的响应均强于森林上( 限 后者在降水方面与多数相关研究结论一致但在温度方面与前人研究差别较大这% ! ! 可能是由于秋冬季森林下限树木抗寒性比上限弱所致% 不同坡向树轮宽度对不同气候要素的响应是我们研究该地区区域温度变化的一个 ! 很大限制因此有必要作进一步的树轮密度分析利用早晚材宽度和密度特征更好地 !!!揭示雪岭云杉生长与气候之间的关系% 参考文献#$%&’%%()%*+ [1] Shao X M .A dvancem ents in dendrochronology.Q uaternary Sciences,1997,(3): 265-271.[邵雪梅. 树轮年代学 的 若 干 进展. 第四纪研究,1997,(3): 265-271.] [2] B riffa K R , Jones P D , V ogel R B et al. 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[卢纹岱, 朱一力, 沙捷 等.SPSS 从入门到精通. 北京: 电子工业出版社,1997.206-213.] "#$ %&&+, %$0# 01 "#$% &#($"++ !’()*-./’.!’)*) ,0 23&45,$ 6-5’($ 12,32,31,2 ZH U H aifeng, W A N G Lili, SH A O X uem ei, FA N G X iuqi (1.,;100875,!"#$$% $& ’($)*+,#-" !"-(."(/ +.0 1(2$3( !(./-.)4 5(-6-.) 7$*2+% 8.-9(*/-3:5(-6-.) ;#-.+ 2.,, 100101,<3-3=3 $& $*+#-" "-" +0 >+3=*+% ?$=*" ?+*"#@A-6- #-+./((),!(.(/.(/(/(/(;!(.);.’ 3.,,) 100085,<./3-3=3( $& B-C(3+. D%+3(+= ?(/(+*"#;@!A(-6-.) ;#-.+ The Y ili V alley of w est Tianshan is located in sem i-arid area of N orthw est C hina.78.,"59,: Tree ring increm ent cores w ere sam pledfor from the upper and low erD-"(+ /"#*(.E-+.+ treelines of three sites, w hich present w arm -dry, w arm -m oist and cool-m oist clim ate patternsrespectively. Six standardized chronologies w ere developed using a 60-year spline function, the correlation betw een tree ring-w idth and clim ate w as analyzed. C om parison of chronology statistics am ong chronologies indicated that ring-w idth at the low er treeline show ed strongerhigh- and low -frequency signals than those at the upper line. C orrelation analysis show ed that the grow th of w as significantly sensitive to clim ate variations. H ow ever, D-"(+ /"#*(.E-+.+ there w ere different relationships betw een the tree grow th and clim ate at different aspects of slope and altitude of the valley: tree grow th at low er treeline on the south-facing slope w as positively correlated (p<0.05) w ith precipitation in July and A ugust during the current grow ing season, w hile at the low er line of the north-facing slope, tree grow th show ed a significant (p<0.05) positive correlation w ith m onthly m inim um tem perature from N ovem ber to January prior to the grow ing season, w hereas there w as no significant correlation betw een tree ring-w idth and clim ate variations at the upper line of both north- and south-facing slopes. These results suggested that different clim ate signals revealed in tree-ring w idthof D-"(+ m ay be caused by the influence of topography: the variation of precipitation/"#*(E-++ .. betw een the upper- and low er-treeline and the difference of tem perature betw een the tw o aspects of the slope. In conclusion, there is not only precipitation signal but also tem perature inform ation in the tree ring-w idthof . This dendroclim atologicalpo tential D-"(+ /"#*(.E-+.+ provides a possibility for past clim atic reconstruction of both precipitation and tem perature in this area. Y ili; tree ring; clim ate change; $< *0"=.: D-"(+ /"#*(.E-+.+;